JPH0345587A - 半導体結晶棒の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は引上げ法により、半導体結晶棒を製造する際
のドーパント不純物の添加方法を改良した半導体結晶棒
の製造方法に関する。

（従来の技術） シリコン結晶棒は通常、引き上げ法の一種であるＣ２法
によって製造される。このＣ２法は、石英ルツボ内でシ
リコン原料を溶融させ、その中に種子結晶を浸し、互い
に回転させながら石英ルツボから種子結晶を引き上げ、
結晶を成長させるものである。

ところで、成長の際にドーパント不純物を結晶中に均一
に添加する必要がある。ＣＺ法ではこのドーパント不純
物の添加を行うため、石英ルツボ内に収納されるシリコ
ン原料と共にドーパント不純物を溶融させることが最も
一般的である。しかし、１つのルツボを用いて複数本の
シリコン結晶を成長させる場合、原料融液中でのドーパ
ント不純物の偏析及び原料の追加溶融によって、成長し
た結晶を引き上げるごとに、抵抗率が変化してしまい、
所望の特性を持つ結晶棒が複数本製造できない。

また、第６図に示すような二重構造の石英ルツボを用い
たＣＺ法が従来行われている。引き上げチャンバ４１内
には、内室４２、外室４３を持つ二重構造の石英ルツボ
４４及びこの石英ルツボ４４の外側を覆うカーボンルツ
ボ４５で構成される結晶成長用の回転ルツボ４６が設置
されている。前記石英ルツボ４４の内室４２の側壁下部
には外室４３に通じる管４７が設けられている。また、
引き上げチャンバ４１上部には、駆動部４８が設置され
、回転軸付きのメタルワイヤ４９で吊された種子結晶５
０の引き上げ、引き下げ及び回転制御が行われるように
なっている。

このような構成で行われるＣＺ法において、不純物の添
加方法は次のように行われている。石英ルツボ４４の内
室４２、外室４３共に固体のシリコン原料５１が投入さ
れ、そのうち内室４２にのみドーパント不純物５２が投
入される。このドーパント不純物５２はシリコン原料５
１より後に溶融するように、シリコン原料５１が盛られ
た最上部に置かれる。

このようにドーパント不純物５２を添加することによっ
て、ドーパント不純物５２がシリコン原料５１より先に
溶融し、ドーパント不純物５２の融液が管４７を介して
アンドープの外室４３に漏れ出るのを防ぐ。この結果、
種子結晶５０によって結晶棒が成長し、この結晶棒を引
き上げているうちにアンドブのシリコン原料が外室４３
から内室４２に混入してドーパント不純物の濃度が一定
に制御され、結晶棒の長さ方向の抵抗率が比較的均一な
結晶棒の弓き上げが達成される。

あるいは、第７図に示すように引き上げチャンバ４１に
ドープ剤投入装置５３を設けて、シリコン原料５１が完
全に溶融したシリコン原料融液５４に、ドーパント不純
物５２が石英ルツボ４４の内室４２に添加制御される方
法も行われている。この場合、原料とドーパント不純物
を適宜追加して結晶棒を多数本成長できるように、引き
上げチャンバ４１内にゲートバルブ５５を設けて引上げ
結晶収納部５６と炉部材収納部５７とに分けられるよう
な構成になっている。すなわち、結晶棒が引き上がった
らゲートバルブ５５を閉め、引上げ結晶収納部５６から
成長した結晶棒（図示せず）を取り出し、代わりに棒状
シリコン原料（図示せず）をワイヤ４９に取り付け、ケ
ートバルブ５５を開けて炉部材収納部５７内の石英ルツ
ボ４４に引き下げ投入する。そして、前述のようにシリ
コン原料が完全に溶融してから、ドーパント不純物５２
を石英ルツボ４４の内室４２のみに添加する。これによ
り、結晶棒の成長が繰り返し行える。

しかし、第６図及び第７図における不純物の添加方法に
はそれぞれ欠点がある。まず、第６図に示した方法では
、石英ルツボ４４から結晶棒を多数本製造しようとする
場合、原料がなくなったら、その都度ドーパント不純物
５２をシリコン原料５１が盛られた後、その最上部に置
くという手間がかかる。また、このように準備しても実
際にシリコン原料５１が完全に溶融した後にドーパント
不純物５２を溶融させることは困難である。内室４２の
シリコン原料５１が溶融しきらないうちにドーパント不
純物５２が溶融してしまえば、アンドープの外室４３に
漏れ出てしまい、成長させた結晶棒は所望の抵抗率もそ
の均一性も得られない。

また、第７図に示した方法では、石英ルツボ４４から結
晶棒を多数本製造しようとする場合にドバント不純物５
２を添加するのが容易にはなる。しかし、ドープ剤投入
装置５３等を取り付ける必要があり、装置を大幅に改造
しなければならない。この結果、装置の複雑化に伴い製
造コストが高くなる。さらに、保守も複雑化するので生
産性の低下を招くことになる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来では１個のルツボでシリコン原料とドー
パント不純物を適宜追加して結晶棒を多数本成長させる
場合、原料の入れ替え投入、特にドーパント不純物の添
加投入に手間がかかるにもかかわらず、ドーパント不純
物を結晶中に均一に添加するのは難しく、結晶棒は所望
の抵抗率もその均一性も得られない恐れがある。このた
め、装置を大幅に改造して対処してきたが、装置の複雑
化に伴い製造コストが高くなり、保守も複雑化するので
結晶棒の生産性の低下を招くという欠点があった。

この発明は上記のような事情を考慮してなされたもので
あり、その目的は、装置が複雑化することなくドーパン
ト不純物の添加が簡単化され、しかも抵抗率特性の良い
結晶棒が１個のルツボから多数本得られる半導体結晶棒
の製造方法を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の半導体結晶棒の製造方法は上部にドーパント
不純物を収納する容器が設けられた棒状の半導体原料を
結晶成長のためのルツボ内に降下させて下部から順次溶
融させ、前記容器内に収納されたドーパント不純物が所
定量溶融した時点で前記半導体原料の溶融を停止させて
ルツボ内からこの半導体原料を取りだし、前記ルツボ内
に種子結晶を降下させ、ルツボ内の原料溶融液に浸した
後に所定の速度でこの種子結晶を引き上げて単結晶棒を
成長させ、１つの単結晶棒を成長させた後に同一のルツ
ボを用いて複数の単結晶棒を繰り返し成長させるように
して構成される。

（作　用） この発明の方法では、棒状シリコン原料の上側部に取り
付けられた石英容器内にドープ剤が収納されており、降
下した棒状シリコン原料は、その下端部から石英ルツボ
内の原料融液に接触溶融していく。徐々に棒状シリコン
原料を溶かし込んでいき、ドープ剤が収納されている石
英容器内に、原料融液が浸入してきた時点で棒状シリコ
ン原料の降下を中止する。その後、ドープ剤が溶は終え
た時点で、溶は残った棒状シリコン原料をゲートバルブ
上部の結晶収納部に引き上げ、ゲートバルブを閉じ、今
度は種子結晶に取り替えてゲートパルプを開いて、石英
ルツボ内に吊り降ろし、種子結晶を原料融液に浸し引き
上げることによって、単結晶棒を成長させる。この方法
によって容易に原料及びドーパント不純物の追加ができ
、特性のそろった単結晶棒を多数本成長させる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明を実施例により説明する
。

第１図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の方法を二重構造の
石英ルツボを用いたＣＺ法（引上げ法）に実施した場合
の構成を示す工程図である。引き上げチャンバｌｌ内に
は、内室１２、外室１３を持つ二重構造の石英ルツボ１
４及びこの石英ルツボ１４の外側を覆うカーボンルツボ
１５で構成される結晶成長用の回転ルツボ１６が設置さ
れている。前記石英ルツボ１４の内室１２の側壁下部に
は外室１３に通じる管１７が設けられている。なお、引
き上げる結晶棒の長さ方向における抵抗率がほぼ均一に
なるように前記石英ルツボ１４の内室１２と外室１８の
径比はＦＹ（Ｋ：ドーパント不純物の偏析係数）にほぼ
等しくなるように設定されている。

引き上げチャンバ１１上部には、ワイヤ駆動部１８が設
置されており、回転軸付きのメタルワイヤ１９で吊され
る種子結晶や棒状シリコン原料等の引き上げ、引き下げ
及び回転制御がなされる。また、引き上げチャンバ１１
内にはゲートパルプ２０が設けられ、チャンバｌｌ内が
引上げ結晶収納部２１と炉部材収納部２２とに仕切られ
る構成になっている。

このような構成で行われるＣＺ法において、不純物の添
加方法は次のように行われる。棒状シリコン原料２３が
高融点金属線、例えばモリブデンワイヤ２４によりメタ
ルワイヤ１９に取り付けられ、ワイヤ駆動部１８により
石英ルツボ１４の内室１２に吊り降ろされる。この棒状
シリコン原料２３の上側部には、石英容器２５がモリブ
デンワイヤ等で固定されている。この石英容器２５には
所定量のドーパント不純物を含有したドープ剤２６が収
納されており、この石英容器２５の底部にはドープ剤２
６が容易に落ちない程度の開口部２７が設けられている
。

上記石英ルツボ１４内には所定量の原料融液２８が溶融
されており、降下した棒状シリコン原料２３は、その下
端部から原料融液２８に接触溶融していく。

こうして徐々に棒状シリコン原料２３を溶かし込んでい
き、ドープ剤２６が収納されている石英容器２５内に、
原料融液２８が浸入してきた時点で一旦、棒状シリコン
原料２３の降下を中止する（第１図（ａ）参照）。

次に、ドープ剤２６が溶は終えた時点で、溶は残った棒
状シリコン原料２３を結晶収納部２１に引き上げ、ゲー
トバルブ２０を閉じて外部に取り出す。その後は周知の
ように種子結晶２９をメタルワイヤ１９端部の図示しな
い結晶ホルダに取付け、ゲートバルブ２０を開いてワイ
ヤ駆動部１８により石英ルツボ１４の内室１２に吊り降
ろし、種子結晶２９を原料融液２８に浸す。そして、所
定の速度でもって種子結晶２９を引き上げ、単結晶棒３
０を成長させる（第１図（ｂ）参照）。

上記実施例方法によれば、シリコン原料が完全に溶融し
きってからドーパント不純物が添加溶融されるので、そ
の後、種子結晶で成長するシリコン結晶棒は所望の比抵
抗が得られ、結晶棒の長さ方向における抵抗率がほぼ均
一になる。

また、１個のルツボで繰り返しシリコン結晶棒を成長さ
せる場合には、上記実施例方法により容易にシリコン原
料とドーパント不純物を追加できる。以下、その具体的
な実施例として内室、外室に分離されていない石英ルツ
ボを用いた第２図（ａ）ないしくｆ）の工程図により説
明する。なお、第１図と同様の箇所には同符号を付して
説明の重複をさけることにする。

まず、第２図（ａ）に示すように例えば従来方法によっ
て１６′φ（直径１６インチ）の石英ルツボ１４内に固
体のシリコン原料的３５ｋｇ及び所定のドーパント不純
物を含有したドープ剤約３．５ｇを溶融して原料融液２
８を生成する。その後、ゲートバルブ２０を開いて種子
結晶２９をメタルワイヤ１９で吊り、ワイヤ駆動部１８
により降下させる。

次に、第２図（ｂ）に示すように種子結晶２９を原料融
液２８に浸す。そして、所定の速度でもって種子結晶２
９を引き上げることにより単結晶棒３０を成長させる。

次に、第２図（ｃ）に示すように、重量的２４ｋｇ、５
’φの無転位の単結晶棒３０を成長させ、この単結晶棒
３０をワイヤ駆動部１８により結晶収納部２１まで引き
上げゲートバルブ２０を閉める。

次に、第２図（ｄ）に示すように単結晶棒３０を取り出
し、代わりに約２５ｋｇの棒状シリコン原料２３をモリ
ブデンワイヤ２４によりメタルワイヤ１９に取り付ける
。なお、上述したようにこの棒状シリコン原料２３の上
側部には、所定量のドーパント不純物を含有したドープ
剤２６約２，２ｇを収納した石英容器２５がモリブデン
ワイヤ等で固定されている。

次に、第２図（ｅ）に示すようにゲートバルブ２０を開
き、棒状シリコン原料２３を降下させて石英ルツボ１４
内の残融液中に追加溶融する。そして、上述したように
徐々に棒状シリコン原料２３を溶かし込んでいき、ドー
プ剤２６が収納されている石英容器２５内に、原料融液
２８が浸入してきた時点で一端、棒状シリコン原料２３
の降下を中止する。

次に、第２図（ｆ）に示すようにドープ剤２Ｂが溶は終
えた時点で、溶は残った棒状シリコン原料２３をゲート
バルブ２０上部の結晶収納部２１に引き上げ、ゲートバ
ルブ２０を閉じて外部に取り出し、再び種子結晶２９を
メタルワイヤ１９で吊り、ゲートバルブ２０を開いてワ
イヤ駆動部１８により石英ルツボ１４に降下させる。

このように、容易に１個のルツボから単結晶３０を多数
本成長させることができる。しかも、装置が複雑化する
ことはなく、保守も容易である。

第３図はこの発明の方法によって生成された結晶棒の固
化率りに対する抵抗率の分布を示す曲線である。なお、
比較のため従来方法によるものも示しである。曲線Ａは
この発明の方法による上記第１図で示した二重構造の石
英ルツボを用いた場合であり、引き上げた結晶棒の長さ
方向における抵抗率がほぼ均一になっている。曲線Ｂは
従来方法による二重構造の石英ルツボを用いた場合であ
り、曲線Ａと同様である。゛しかじ、シリコン原料が溶
融しきらないうちにドーパント不純物が溶融してしまっ
た場合の抵抗率は曲線Ｂ′のようになる。従って、従来
方法では曲線Ｂ′のように結晶棒の長さ方向に対して抵
抗率が低くなってしまう可能性が十分あり、信頼性に欠
けるといえる。

また、曲線Ｃ１、Ｃ２は通常の石英ルツボを用いた場合
であり、上記第２図で示した方法により原料及びドーパ
ント不純物を追加し、同じルツボから結晶棒を２本成長
させた場合のものである。

このように、同じルツボから結晶棒を多数本成長させて
も各々同様の特性が得られるようにできる。

なお、この発明は上記実施例方法に限らず種々の方法で
実現できる。例えば、第４図に示すようなシリコン原料
を用いてもよい。このシリコン原料は棒状シリコン原料
の上側部を切り込むことによって、ドープ剤収納室３１
を形成し、その室内にドープ剤２６を収納して用いるよ
うにしている。また、第５図に示すように棒状シリコン
原料の上部を開口し、ドープ剤２６を埋め込む方法もこ
の発明を実施する上で容易に考えられる。また、棒状シ
リコン原料の取付けはモリブデンワイヤに限らず、高融
点のものであればよく、石英容器を取付ける材料、方法
も上記実施例に限定されることはない。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば経済的に安価でド
ーパント不純物の添加が簡単化され、しかも抵抗率がそ
ろった特性の良い結晶棒が１個のルツボから多数本書ら
れる半導体結晶棒の製造方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）はこの発明の一実施例方法に
よる構成の工程図、 第２図（ａ）ないしくｆ）はこの発明の方法のさらに具
体的な実施例による構成を示す工程図、第３図はこの発
明の方法によって生成された結晶棒の固化率りに対する
抵抗率の分布を示す曲線、第４図及び第５図はそれぞれ
この発明に係る原料の構成を示す断面図、第６図及び第
７図はそれぞれＣ２法による従来の結晶棒の製造方法を
説明するための構成図である。 １１・・・引上げチャンバ、１２・・・内室、１３・・
・外室、１４・・・石英ルツボ、１５・・・カーボンル
ツボ、１６・・・回転ルツボ、１７・・・管、１８・・
・ワイヤ駆動部、１９・・・メタルワイヤ、２０・・・
ゲートバルブ、２１・・・結晶収納部、２２・・・炉部
材収納部、２３・・・棒状シリコン原料、２４・・・モ
リブデンワイヤ、２５・・・石英容器、２６・・・ドー
プ剤、２７・・・開口部、２８・・・原料融液、２９・
・・種子結晶、３０・・・単結晶棒。 第 図（ａ） 第 図 （ｂ） （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） （ｅ） （ｆ） 固化率り 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上部にドーパント不純物を収納する容器が設けられた棒
   状の半導体原料を結晶成長のためのルツボ内に降下させ
   て下部から順次溶融させ、前記容器内に収納されたドー
   パント不純物が所定量溶融した時点で前記半導体原料の
   溶融を停止させてルツボ内からこの半導体原料を取りだ
   し、前記ルツボ内に種子結晶を降下させ、ルツボ内の原
   料溶融液に浸した後に所定の速度でこの種子結晶を引き
   上げて単結晶棒を成長させ、１つの単結晶棒を成長させ
   た後に同一のルツボを用いて複数の単結晶棒を繰り返し
   成長させるようにしたことを特徴とする半導体結晶棒の
   製造方法。